Способ оценки кинетики образования наноразмерных пленок и изменения их оптических характеристик

Изобретение относится к анализу оптических характеристик наноразмерных пленок, образующихся при конденсации продуктов газовыделения нагретых неметаллических материалов в вакууме. Способ заключается в термовакуумном воздействии при определенной температуре на образцы материалов, помещенные в специальные изотермические контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов легко конденсирующихся веществ на конденсирующих пластинах. Потерю массы определяют по разности масс образца до и после воздействия, таким же образом аналогично определяют и содержание летучих конденсирующихся веществ. Испытуемый образец нагревают до температуры на 0,1% ниже минимального порога температуры, при которой начинается деструкция неметаллического материала, при этом происходят непрерывное облучение образца стекла монохроматическим потоком и регистрация энергетических и частотных характеристик монохроматического потока. Кинетику определяют по изменению коэффициента пропускания. Изобретение позволяет увеличить количество контролируемых параметров конденсирующихся пленок. 1 ил.

 

Изобретение относится к способу оценки кинетики образования и изменения оптических характеристик наноразмерных пленок, образующихся при конденсации продуктов газовыделения нагретых неметаллических материалов в вакууме.

В настоящее время, исходя из технико-экономических соображений, большинство вновь разрабатываемых космических аппаратов конструируются в бескорпусном исполнении. При этом воздействию космических факторов, таких как высокий вакуум, циклически меняющаяся температура, высокоэнергетические излучения, поток микрометеоритов и др., подвергаются все блоки космического аппарата, расположенные вне гермоотсеков. Это приводит к увеличению количества продуктов газовыделения и сублимации различных материалов, т.е. к увеличению плотности собственной внешней атмосферы (СВА). Осаждение частиц СВА приводит к ряду негативных последствий, но прежде всего, к снижению светопропускания и появлению ложных срабатываний оптических приборов. Наиболее актуальна эта проблема для космических аппаратов, снабженных оптическими приборами с охлаждаемыми светочувствительными элементами. В этом случае возникают более благоприятные условия осаждения на поверхности светочувствительных элементов паразитных пленок, обладающих более плотной структурой и состоящих из большого числа органических частиц и радикалов.

Существует несколько методов решения данной проблемы. Их можно разделить на две основные группы. Методы первой группы преследуют цель снижения роста либо удаления существующих загрязняющих пленок на оптических поверхностях. Методы второй группы направлены на снижение плотности СВА за счет уменьшения газовыделения и сублимации материалов. К методам этой группы относят метод оценки и отбора неметаллических материалов по параметрам загрязняющих пленок, образованных продуктами их газовыделения.

Известен способ обезгаживания изделий (патент РФ №2061950, 1992 г.). Способ заключается в том, что испытуемое изделие помещают в вакуумную камеру и вакуумируют при непрерывном нагреве и подаче в камеру подпиточного газа. Подпиточный газ подается непрерывно с начала процесса обезгаживания изделия в зону защищаемой поверхности, а количество подаваемого газа пропорционально потоку газовыделения изделия, подвергаемого обезгаживанию. Способ рекомендуется применять для обезгаживания изделий, содержащих в своем составе неметаллические материалы (пластмассы, резины, герметики, лаки, краски, изоляционные материалы и т.п.), а также элементы (узлы, детали, сборки), подлежащие защите от продуктов газовыделения (стекла, зеркала, линзы, электронные схемы и др.).

Основным недостатком способа является то, что в ходе обезгаживания не контролируются параметры процессов газовыделения, не применяются конденсационные экраны, на которых осаждались бы продукты газовыделения. Отсутствие информации о процессах газовыделения и образовании загрязняющих пленок не позволяет сделать обоснованный отбор материалов для космических аппаратов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ моделирования влияния молекулярных загрязняющих пленок на свойства оптических систем. Данный способ описан в патенте США №7,514,275 (2009 г.). В патенте описаны способ и установка, предназначенные для активации процессов газовыделения и пленкообразования, при этом контроль продуктов газовыделения ведется методами спектрометрии. Контроль оптических свойств системы производится методом измерения спектров поглощения оптического излучения. Установка предусматривает проведение испытаний при изменении температуры и давления.

Основным недостатком способа является узость его функциональных возможностей, а именно то, что в процессе газовыделения контролируют только спектры поглощения и химический состав, при этом не производят контроль физико-химических параметров осаждаемой пленки.

Основная задача способа заключается в увеличении количества контролируемых параметров конденсирующихся пленок, позволяющих значительно расширить функциональные возможности способа.

Технический результат достигается тем, что способ оценки кинетики образования наноразмерных пленок и изменения их оптических характеристик заключается в термовакуумном воздействии при определенной температуре на образцы материалов, помещенные в специальные изотермические контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов легко конденсирующихся веществ на конденсирующих пластинах. Потерю массы определяют по разности масс образца до и после воздействия, таким же образом аналогично определяют и содержание летучих конденсирующихся веществ. Причем конденсирующие пластины из кварцевого стекла помещают в специальный держатель, охлаждаемый до температур в диапазоне от минус 30 до плюс 50°С; в нижнем окне вакуумной камеры располагают источник монохроматического излучения с длинами волн в диапазоне от 140 до 3300 нм, а в верхнем окне - приемник излучения. Окна камеры расположены соосно с противоположных сторон испытуемого образца так, что ось, проходящая через центр окна, совпадает с центром образца; испытуемый образец нагревают до температуры на 0,1% ниже минимального порога температуры, при которой начинается деструкция неметаллического материала, при этом происходят непрерывное облучение образца стекла монохроматическим потоком и регистрация энергетических и частотных характеристик монохроматического потока. Кинетику образования пленок и изменений оптических характеристик определяют по изменению коэффициента пропускания, а также частотных характеристик излучения, прошедшего через конденсационную пластину с загрязняющей пленкой.

Фиг.1 - Схема установки для реализации предлагаемого способа.

На фиг.1 номерами позиций обозначены: 1 - камера; 2 - окна; 3 - источник излучения; 4 - приемник излучения; 5 - образец кварцевого стекла; 6 - загрязняющая пленка; 7 - охлаждающие держатели; 8 - нагревательные столики; 9 - газящие образцы испытуемого материала.

Образец 9 испытуемого материала помещают в вакуумную камеру 1 на нагревательный столик 8. Производят откачку камеры 1. Затем производят разогрев образца материала 9 до температуры 120°С. В камере 1 расположен образец из кварцевого стекла 5, который охлаждается в диапазоне температур от минус 10 до плюс 30°С на специальных охлаждающих держателях 7. В камере 1 имеются два окна 2, расположенные соосно с противоположных сторон испытуемого образца кварцевого стекла 5. При этом ось, проходящая через окна, совпадает с центром образца 5. В нижнем окне 2 камеры 1 расположен источник монохроматического излучения 3 с диапазоном длин волн, перекрывающим инфракрасный (ИК) (1…33 мкм), ультрафиолетовый (УФ) и диапазон видимого света (140-1000 нм), а в верхнем окне 2 расположен приемник излучения 4.

Образец 9 испытуемого материала нагревают до температуры на 0,1% ниже минимального порога температуры, при котором начинается деструкция неметаллического материала. При этом происходят непрерывное облучение образца кварцевого стекла 5 монохроматическим потоком излучения и регистрация энергетических и частотных характеристик монохроматического потока излучения. После окончания процесса газовыделения кинетику образования загрязняющих пленок 6 на стекле 5 определяют по изменению энергетических и частотных характеристик излучения. При этом происходит совмещение процессов газовыделения-пленкообразования и исследования физико-химических и оптических параметров пленки 6 в едином процессе, т.е. происходит исследование параметров пленки 6 в процессе ее роста (in situ).

Таким образом, достигается протекание процессов газовыделения испытуемого образца 9, осаждения и образования на кварцевом стекле 5 его наноразмерной пленки 6 и одновременно с этими процессами определение физико-химических параметров осажденной пленки 6 для оценки кинетики ее образования, а также ее оптических характеристик.

Достижение протекания процессов газовыделения испытуемого образца 9, осаждения и образования на кварцевом стекле 5 его наноразмерной пленки 6 и одновременно с этими процессами определение физико-химических параметров осажденной пленки 6 для оценки кинетики ее образования, а также ее оптических характеристик при моделировании воздействия факторов космического пространства приводят к повышению достоверности оценки пригодности материалов для использования в условиях открытого космоса.

Исследуемыми параметрами сконденсировавшихся пленок, характеризующими изменение оптических свойств кварцевых светочувствительных элементов в результате газовыделения и пленкообразования конструкционных материалов, являются следующие:

- толщина пленки (h);

- сплошность пленки (s);

- шероховатость поверхности;

- химический состав;

- коэффициенты преломления (n) и поглощения (k);

- оптические коэффициенты пропускания (Т) и отражения (R) пленки.

Исследование физико-химических параметров пленки производят различными методами:

- Атомно-силовая микроскопия (АСМ) (определение рельефа поверхности, толщины и сплошности пленки);

- ИК-спектроэллипсометрия (ИК-СЭ) (определение толщины пленки, химического состава, оптических констант);

- Спектрометрия комбинационного рассеяния (КРС) (определение химического состава пленки);

- Оптическая микроскопия (определение сплошности пленки).

Исследование оптических характеристик (коэффициентов пропускания Т и отражения R) производят методами спектрофотометрии и спектральной эллипсометрии в следующих диапазонах длин волн:

- ИК-диапазон (1-33 мкм);

- УФ-диапазон и диапазон видимого света (140-1000 нм).

По результатам проводимых исследований определяют параметры модели прогнозирования изменения оптических характеристик кварцевых светочувствительных элементов. В основе модели прогнозирования лежит оптическая модель исследуемой структуры, с помощью которой получают зависимость спектрального коэффициента пропускания Т от времени t и длины волны λ. Варьируя значения параметров времени и длины волны получают зависимость оптических характеристик пленки от толщины и сплошности пленки. Входными данными для модели являются толщины, рельеф поверхности (шероховатость, сплошность) и коэффициенты преломления и поглощения (n и k) пленок. Толщины, рельеф поверхности, коэффициенты преломления и поглощения, химический состав получают исходя из изменения энергетических и частотных характеристик излучения, прошедшего через пленку.

Способ оценки кинетики образования наноразмерных пленок и изменения их оптических характеристик, заключающийся в термовакуумном воздействии при определенной температуре на образцы материалов, помещенные в изотермические контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов легко конденсирующихся веществ на конденсирующих пластинах, потерю массы определяют по разности масс образца до и после воздействия, таким же образом определяют и содержание летучих конденсирующихся веществ, отличающийся тем, что конденсирующие пластины из кварцевого стекла помещают в держатель, охлаждаемый до температур в диапазоне от минус 30°C до плюс 50°С; в нижнем окне вакуумной камеры располагают источник монохроматического излучения с длинами волн в диапазоне от 140 нм до 3300 нм, а в верхнем окне - приемник излучения, причем окна камеры расположены соосно с противоположных сторон испытуемого образца так, что ось, проходящая через центр окна, совпадает с центром образца; испытуемый образец нагревают до температуры на 0,1% ниже минимального порога температуры, при которой начинается деструкция неметаллического материала, при этом происходит непрерывное облучение образца стекла монохроматическим потоком и регистрация энергетических и частотных характеристик монохроматического потока; кинетику образования пленок и изменений оптических характеристик определяют по изменению коэффициента пропускания, а также частотных характеристик излучения, прошедшего через конденсационную пластину с загрязняющей пленкой.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу получения количественных и качественных данных о материальных носителях культурных ценностей, музейных предметов, антиквариата, древностей, памятников истории и культуры, объектов средовой природы, предметов коллекционирования, нумизматических и фалеристических материалов и т.п.

Изобретение относится к химическим методам анализа жидкостей с использованием автоанализаторов проточного или проточно-дискретного тип. .

Изобретение относится к способу прогнозирования фотостабильности коллоидных полупроводниковых квантовых точек со структурой ядро-оболочка в кислородсодержащей среде, включающий измерение кинетик фотолюминесцентного сигнала квантовых точек для тестируемой и эталонной партий, определение для указанных партий значений параметра, характеризующего скорость спада фотолюминесцентного сигнала во времени.

Изобретение относится к дистанционному контролю технического состояния высоковольтного маслонаполненного электроэнергетического оборудования (МЭО), в частности силовых маслонаполненных трансформаторов, находящегося под напряжением, и предназначено для создания диагностических информационно-измерительных комплексов контроля технического состояния такого оборудования.

Изобретение относится к системе для измерения рН, и более конкретно, к улучшенным способу и устройству для измерения рН слабощелочных растворов экстраполяцией спектрофотометрических измерений от многих чувствительных элементов-индикаторов рН.
Изобретение относится к аналитическому контролю химического состава материала и изделий из титаната диспрозия (Dy2 O3·TiO2), гафната диспрозия (nDy 2O3·mHfO2) и их смесей.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для анализа веществ, в том числе и сильно рассеивающих свет. .
Изобретение относится к способам и средствам для регистрации образования синглетного кислорода в атмосфере. .
Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при получении устойчивых суспензий и покрытий на подложках. .

Изобретение относится к области технологии получения высокотвердых наноструктурированных материалов, в частности наночастиц октакарбона С8, и может быть использовано в микропроцессорной технике, инструментальной, химической промышленностях для изготовления абразивов, полирующих составов, алмазоподобных пленок и покрытий.
Изобретение относится к способу получения биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего материала. .
Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслям промышленности и может быть использовано для увеличения глубины переработки углеводородсодержащего сырья.
Изобретение относится к технологии получения диоксида титана, в частности нанодисперсного порошка ТO2, и может быть использовано при получении катализаторов на основе диоксида титана для фотокаталитической очистки воды и воздуха от органических соединений, в качестве адсорбентов, в качестве наполнителей в лакокрасочной промышленности, для производства многих видов композиционных керамических материалов, а также в качестве сырья для получения титана и титанатов металлов.

Изобретение относится к наночастицам для доставки лекарственного вещества, причем наночастицы состоят из хелатирующего металл полимера, и активного агента, представляющего собой родственный TNF лиганд, индуцирующий апоптоз (TRAIL), где активный агент ковалентно связан с полимером.

Изобретение относится к нанотехнологиям в области химии. .

Изобретение относится к лиозолю для токсикологических испытаний

Изобретение относится к анализу оптических характеристик наноразмерных пленок, образующихся при конденсации продуктов газовыделения нагретых неметаллических материалов в вакууме

Наверх